[发明专利]一种大失准角下惯性/偏振光组合导航系统EKF对准方法

说明书

本发明涉及一种大失准角下惯性/偏振光组合导航系统EKF对准方法，选择惯性/偏振光组合导航系统初始对准的状态矢量，建立大失准角下惯性/偏振光组合导航系统的非线性误差状态方程；根据偏振光传感器测量的偏振方位角计算太阳矢量，建立偏振光非线性量测方程；根据惯性导航系统的速度输出，建立速度误差量测方程；利用增广技术建立统一的惯性/偏振光组合导航系统非线性量测方程；对惯性/偏振光组合导航系统非线性方程进行离散化；设计扩展卡尔曼滤波器估计惯性/偏振光组合导航系统的失准角、速度误差、陀螺漂移和加速度计常值偏置等误差状态；对惯性/偏振光组合导航系统姿态及速度进行反馈校正，提高大失准角下初始对准估计精度和速度。本发明具有精度高、速度快、自主性强的优点。

技术领域

本发明涉及一种大失准角下惯性/偏振光组合导航系统EKF对准方法，可有效提高地球大气层内地面运载体大失准角下静基座初始对准的精度，并缩短初始对准的时间。

背景技术

导航是航空、航天、航海及地面交通等领域的关键技术。由于导航是一个积分过程，因此初始状态对其精度影响较大。为了提高导航定位及定速精度，在进入导航状态前，导航系统需要进行初始对准。通过初始对准来准确的获得初始的导航参数，包括姿态、速度及位置信息。在静基座条件下，载体保持静止，此时速度为零，位置不变，因此静基座下的初始对准是为了获得运载体的初始姿态。如何在短时间内，实现精度高的静基座大失准角初始对准是目前研究的热点问题。

目前，静基座初始对准方法主要分为两个阶段：粗对准和精对准。粗对准要求在较短的时间内，利用双矢量定姿等方法获得精度较低的载体姿态，精度较低；在精对准阶段，根据粗对准获得的粗略的姿态，通过估计失准角对其反馈校正来得到高精度的初始姿态，但耗时较长。当粗对准所得到的初始姿态精度较高时，可认为计算导航系与真实导航系间的失准角较小，可将失准角所构成的姿态矩阵线性化，并进一步建立线性的惯性导航误差状态模型；然而，当失准角过大时，所构成的姿态矩阵无法满足线性化的要求，如果仍按线性化处理，所得到的初始姿态误差较大，此时应建立大失准角下的惯性导航非线性误差状态模型，通过设计非线性滤波器来实现初始对准。

传统对准方法采用惯性导航系统，将加速度计输出进行捷联解算得到速度误差作为量测值进行初始对准。这种方法存在的问题是仅采用速度误差作为量测信息，使得东向陀螺漂移不可观，与其耦合的天向失准角对准缓慢，对准时间长，对准精度低。为了提高系统可观性，可将惯性导航系统的陀螺输出作为新的量测来缩短对准时间，提高对准精度。但是当陀螺精度低时，其输出受噪声影响较大，会严重影响其对准精度。因此，为了克服单一传感器的缺点，惯性导航系统可与卫星、磁罗盘和星敏感器等其他传感器构成组合导航系统进行初始对准，同样存在问题：其中，卫星仅提供速度、位置信息，静基座下无法提供额外量测，因此对静基座下初始对准的精度改善不大；磁罗盘受电磁干扰较大，鲁棒性较差，当周围磁场异常时，会出现较大误差，在初始对准中的对准效果不是很理想；星敏感器可高精度估计载体姿态误差，但价格昂贵，且不适用于在地球大气层内白昼时间段内的静基座初始对准。基于上述原因，寻找一种抗干扰能力强，成本较低的自主式传感器与惯性导航相互融合来实现静基座大失准角下的初始对准至关重要。

利用天空偏振光导航是一种新型的仿生导航方式。太阳光进入大气层后，原平行光经过大气粒子发生散射，从而造成太阳光的偏振现象。研究表明，沙蚁等生物在觅食结束后可沿近乎直线的路径返巢，这与太阳偏振现象密不可分。沙蚁利用复眼中的偏振对抗单元，将入射到复眼中的偏振光进行解码计算，从而获得导航信息。根据仿生导航原理设计的偏振光传感器，可敏感到传感器量测方向的入射光最大偏振方向，输出偏振方位角。基于偏振方位角的偏振光导航具有自主性强、无累积误差等优点，它可以弥补惯性导航系统的误差随时间积累，速度发散的情况，从而获取高精度的姿态信息。因此，偏振光传感器与惯性导航系统组合进行静基座初始对准是可行的。

综上，为了克服静基座下大失准角初始对准方法存在的对准精度低、对准时间长等缺点，将惯性与偏振光传感器组合构成惯性/偏振光组合导航系统，通过引入新的量测信息来提高系统的可观性，实现大失准角下静基座初始对准的快速性与准确性。其中，大失准角是指大于5°的失准角。